Die Kugelsternhaufen-Simulation DRAGON: eine Million Sterne, Schwarze Löcher und Gravitationswellen

1. März 2016

Ein internationales Team von Experten aus Europa und China hat die ersten Kugelsternhaufen-Simulationen mit einer Million Sternen auf dem High-Performance Rechen-Cluster der Max Planck Computing and Data Facility durchgeführt. Diese - bis jetzt - größten und realistischsten Simulationen können nicht nur die beobachteten Eigenschaften von Sternen in Kugelsternhaufen in bisher unerreichter Genauigkeit reproduzieren, sie erlauben auch einen Blick in die dunkle Welt der Schwarzen Löcher. Die Computermodelle liefern hochwertige synthetische Daten, deren Qualität vergleichbar zu den Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble ist. Eine weitere Vorhersage ist die Ansammlung von einzelnen und binären schwarzen Löchern im Zentrum des Haufens. Das vor kurzem entdeckte Gravitationswellensignal könnte aus der Mitte eines Kugelsternhaufens stammen, in dem zwei binäre schwarze Löcher miteinander verschmolzen sind.

RGB-Bild eines simulierten Kugelsternhaufens

Kugelsternhaufen sind in der Tat rätselhafte Objekte. Sie bestehen aus Hunderttausenden leuchtenden Sternen sowie Sternüberresten in einer Region von nur wenigen Dutzend Parsec (bis zu 100 Lichtjahre) - sie sind die dichtesten und ältesten gravitativ gebundenen Sternsysteme im Universum. Ihre Sterndichte im Zentrum kann eine Million Mal größer sein als die Sterndichte in der Nähe unserer Sonne. Etwa 150 Kugelsternhaufen umkreisen die Milchstraße; massereiche Galaxien können sogar über 10.000 gravitativ gebundene Kugelsternhaufen besitzen. Da sich ihre Sterne meist zur gleichen Zeit gebildet haben, allerdings mit unterschiedlichen Massen, sind Kugelsternhaufen ideale Laboratorien um Stellardynamik und Sternentwicklung zu untersuchen.

Die dynamische Entwicklung der Kugelsternhaufen ist aber sehr komplex. Anders als in Galaxien ist die Sterndichte so hoch, dass Sterne im nahen Vorbeiflug gravitativ wechselwirken können oder sogar physisch miteinander kollidieren. Aufgrund dieser Wechselwirkungen gibt es mehr fest gebundene Doppelsterne als bei normalen galaktischen Feldsternen. Darüber hinaus sinken massereiche Sterne durch den Prozess der Massensegregation ins Zentrum des Systems.

Die Evolution eines Kugelsternhaufens als Ganzes ist aufgrund des Lebenszyklus von Einzel- und Doppelsternen noch komplizierter. In den frühen Phasen kommt es bei massereichen Sternen (mit mehr als 8 Sonnenmassen) zu einem erheblichen Massenverlust in ihrer Sternwindphase; am Ende ihres Lebens explodieren diese Sterne als Kernkollaps-Supernova. Die Überreste dieser längst erloschenen Sterne sind Neutronensterne oder Schwarze Löcher, letztere können Massen im Bereich von 10 bis 50 Sonnenmassen besitzen. Sie sind für normale elektromagnetische Beobachtungen unsichtbar und konnten bis vor kurzem nur indirekt nachgewiesen werden.

Das Licht der Kugelsternhaufen wird von wenigen hundert sehr stark leuchtenden roten Riesensternen dominiert. Die meisten anderen Sterne im System haben eine wesentlich geringere Masse als unsere Sonne und eine viel geringe Leuchtkraft. Aus diesem Grund ist das Hubble Weltraumteleskop ein bevorzugtes Instrument um die Sternpopulation von Kugelsternhaufen zu beobachten. Farben-Helligkeits-Diagramme (CMD) mit Daten von Hubble weisen eine bessere Qualität auf im Vergleich zu erdgebundenen Instrumenten aufgrund der sehr niedrigen photometrischen Fehler (dadurch ergeben sich scharfe Strukturen wie die Hauptsequenz, der Riesen- oder der Weißer-Zwerg-Zweig) und der sehr hohen Empfindlichkeit. So beobachtete Hubble zum ersten Mal Eigenschaften von weißen Zwergen mit geringer Leuchtkraft und die Hauptsequenz von Sternen geringer Masse in hoher Qualität.

Abb. 1: Oben: Der Hydra-Supercomputer (1,7 Petaflop / s) betrieben von der Max Planck Computing and Data Facility ist ausgestattet mit 676 Kepler K20 GPGPU-Beschleunigern (1 Petaflop/s, unten links). Dieser Supercomputer wurde verwendet, um die DRAGON-Simulationen durchzuführen. Unten rechts: Der Laoh- Supercomputer der Nationalen Astronomischen Observatorien, Chinesische Akademie der Wissenschaften in Peking (96 Teraflop/s) betrieben am Zentrum für Information und Computing ist mit 64 Kepler K20 GPGPU-Beschleunigern ausgestattet.

Seit vielen Jahren stellt es eine große Herausforderung dar, die Entwicklung eines massereichen Kugelsternhaufens mit selbstkonsistenten numerischen Simulationen nachzuverfolgen. Zum ersten Mal gelang es nun ein Team internationaler Experten am MPA, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Peking-Universität die - bisher - realistischste Simulationen der Evolution eines Kugelsternhaufen mit zunächst einer Million Sterne im Gezeitenfeld unserer Milchstraße über einen Zeitraum von rund 12 Milliarden Jahren zu simulieren. Die Simulationen, die auf dem Hydra-Supercomputer der Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF) im Rahmen des internationalen DRAGON-Projektes durchgeführt wurden, setzen einen neuen Standard bei der Modellierung von Kugelsternhaufen.

Diese Simulationen wurden möglich durch deutliche Verbesserungen der Software auf dem Laohu-Supercomputer des Center of Information and Computing at National Astronomical Observatories der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Der Code besitzt eine ausgezeichnete Parallelisierung und kann gleichzeitig Mulit-Node-Parallelisierung, OpenMP auf den Knoten und die allgemeine Kepler K20-Grafikkarten-Beschleunigung (GPGPUs) nutzen, um die Gravitationskräfte zwischen den Sternen zu berechnen. Eine typische DRAGON Sternhaufensimulation verwendet 8 Hydra-Knoten mit 160 CPU-Kernen und mehr als 32k GPU-Threads für eine Gesamtrechenzeit von rund einem Jahr (8000 Stunden).

Abb.2: Künstliches Farbbild (BVI) aller Sterne eines simulierten Kugelsternhaufens (zentrales Bild, etwa 60 pc im Durchmesser), wie sie sich nach 12 Milliarden Jahren entwickelt haben. Die umliegenden Bilder zeigen unterschiedliche Sterntypen (von oben links): Hauptreihensterne (MS), Rote Riesen (RG) mit ihrem dominieren Lichtanteil, unsichtbare schwarze Löcher (BH), Doppelsterne (Binary), Weiße Zwerge (WD) und asymptotische Riesenast-Sterne (AGB). Die weißen Zwerge (ca. 80.000) sind auf diesem Bild nicht aufgelöst und somit unsichtbar. Die schwarzen Löcher (Feld rechts mit weißem Hintergrund) bilden in der Mitte ein dichtes Untersystem (Binärsysteme sind rot eingezeichnet).

Die Entwicklung der Sternpopulation eines Kugelsternhaufens kann nun im Detail nachverfolgt werden, über alle dynamischen und Sternentwicklungsphasen hinweg, einschließlich dem Verlust von Sternen im Gezeitenfeld der Milchstraße. Die Hauptentwicklungsphasen  von Einzel- und Doppelsternen mit ganz unterschiedlichen Massen (0,08 - 100 Sonnenmassen) werden ebenfalls simuliert (Abb. 2). Die DRAGON-Simulationen können jetzt dazu verwendet werden, synthetische Farben-Helligkeits-Diagramme (CMD) wie mit Hubble (Abb. 3) zu erstellen.

In der DRAGON-Simulation bilden die schwarzen Löcher - 10 bis 50 Sonnenmassen schwere Überreste massereicher Sterne – im Zentrum des Systems einen dichten Kern (Abb. 2, auf weißem Hintergrund). In der klassischen Astronomie können dieses schwarzen Löcher nur indirekt durch den Einfluss ihrer Gravitation auf leuchtende Sterne beobachtet werden. Einige Dutzend schwarze Löcher bilden Doppelsysteme und verlieren durch Gravitationsstrahlung Energie; dieser Prozess ist in unseren Simulationen enthalten.

Abb.3: Vergleich des Farben-Helligkeits-Diagramms des mit dem HST beobachteten Sternhaufens NGC4372 mit denen von zwei simulierten Haufen. Zur Simulation der Beobachtungen wurde eine typische Entfernung zu einem galaktischen Kugelsternhaufen angenommen sowie die Spezifikation der Kameras an Bord des Hubble-Weltraumteleskop mit CACAO.

Vor kurzem konnte die LIGO-Kollaboration Gravitationswellenemission aus dem Verschmelzen zweier schwarzer Löcher (mit Massen von 36 und 29 Sonnenmassen) in einem Abstand von 410 Mpc nachweisen (siehe Meldung der MPG). Unsere DRAGON-Kugelsternhaufen erzeugen solche Verschmelzungen mit ähnlichen Parametern; etwa zehn Ereignisse in jedem Haufen. Daher erwarten wir, dass in den kommenden Monaten oder Jahren weitere derartige Ereignisse beobachtet werden. An einer genaueren Vorhersage für Gravitationswellen-Ereignisse in unseren Modellen wird gearbeitet. Dies hängt nicht nur von der inneren Entwicklung ab, sondern auch von der Anzahl und der Verteilung der Kugelsternhaufen im Universum. Schon jetzt können wir aber vorhersagen, dass Kugelsternhaufen - ähnlich unseren DRAGON-Haufen - eine mögliche Quelle der kürzlich beobachteten spektakulären Gravitationswellen-Ereignisses sind.

Abb. 4: Kumulative Massenverteilung der einzelnen Komponenten aus Abb. 2. Schwarze Löcher populieren das Zentrum des Haufens (schwarze Linie). Hauptreihensterne geringer Masse (cyanfarbene Linie) dominieren die Gesamtmasse des Systems und ihre Verteilung ist ausgedehnter. Die Punkte zeigen den Halbmassenradius der jeweiligen Population. 

Die jetzt nachgewiesene Verschmelzung zweier schwarzer Löcher ist wahrscheinlich nur die Spitze des Eisbergs. Die dynamische Entwicklung der zentralen Bereiche der simulierten Haufen wird durch Hunderte (wenn nicht Tausende) von einzelnen schwarzen Löchern und solchen in Doppelsternsystemen beherrscht. Zukünftige Studien sollten untersuchen, ob solche Ansammlungen von stellaren schwarzen Löchern in den Zentren der meisten Kugelsternhaufen existieren, anstatt der vorhergesagten schwarzen Löcher mit mittleren Massen.

Thorsten Naab, Long Wang, Rainer Spurzem und Riko Schadow für die DRAGON-Kollaboration

Das DRAGON-Projekt:

Das DRAGON-Projekt ist eine Supercomputing-Initiative von NAOC/CAS und Kiaa/PKU (Peking), MPA (Garching), CAMK (Warschau) und IoA ( Cambridge), um die Entwicklung von Kugelsternhaufen mit GPU-gestützten High-Performance-Simulationen zu untersuchen. Das Team besteht aus Rainer Spurzem (unterstützt vom Thousand-Talents-Programm der Volksrepublik China an den Nationalen Astronomischen Observatorien von China (NAOC), Peking und der Universität Heidelberg), Long Wang und Thijs (M.B.N.) Kouwenhoven (Kavli-Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Peking), Peter Berczik (NAOC und Hauptsternwarte der nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine in Kiew), Sverre Aarseth (Institut für Astronomie, Cambridge), Mirek Giersz und Abbas Askar (Nicolaus Copernicus Astronomical Center, Warschau), Thorsten Naab und Riko Schadow (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching) sowie weiteren Studenten und Mitarbeitern. Die Berechnungen werden an der Max Planck Computing and Data Facility durchgeführt, Software-Entwicklung und vorläufige Simulationen am KIAA und am Laohu-Cluster von NAOC.

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